貫穿式尾燈固定方案設(shè)計研究
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摘要：近年來，貫穿式尾燈成為了汽車尾部造型的一種新風尚。貫穿燈長度在1.2m左右，相比傳統(tǒng)尾燈其安裝定位的設(shè)計更加復雜。本文介紹一款貫穿式尾燈固定方案的設(shè)計過程，通過力學模擬和公差分析初步評判了固定方案的合理性，并在PT件上完成了振動試驗的驗證。結(jié)果顯示，該項目的固定方案是可靠的，兩項力學模擬結(jié)果也具有參考價值。
關(guān)鍵詞：貫穿式尾燈；安裝；定位
車燈如同汽車的眼睛，不僅提供照明及信號功能，保證車輛行駛的安全性，同時也是汽車外飾造型中最活躍的點睛之筆。隨著車燈技術(shù)的發(fā)展，光源和材料的不斷升級更替，燈具造型也可以實現(xiàn)更多的突破。2012年林肯MKZ首次使用貫穿式尾燈，此后國內(nèi)各大主機廠相繼推出貫穿式尾燈新車型，掀起了一體式發(fā)光的新風尚。貫穿式車燈具有更高的辨識度和延展效果，深受消費者喜愛［1］。相比傳統(tǒng)后蓋尾燈，貫穿式尾燈長度和質(zhì)量都更大，安裝在非一體式后蓋上，需要匹配的零件也更多，因此對安裝和定位的要求也更為苛刻。本文論述一款貫穿式尾燈項目固定方案的設(shè)計過程，考慮材料變形及熱膨脹、燈具質(zhì)量分布、外觀匹配關(guān)注點及鈑金公差等因素，通過力學模擬和公差分析，確定了貫穿式尾燈的安裝及定位方案，并且在PT件上完成了振動試驗及匹配驗證。
1RPS定義
1.1根據(jù)鈑金形式設(shè)置X向RPS點
按照3-2-1原則，與傳統(tǒng)后蓋尾燈相同，貫穿燈將3個平移自由度定義在X方向，限制X方向的移動。后蓋鈑金分為一體式和分體式兩種情況，X向定位點設(shè)置也有一定區(qū)別。1）一體式后蓋尾燈安裝面在后蓋外板上一次沖壓成型，尾燈3個X向定位點可選擇盡量大的三角形。一體式后蓋尾燈Fx分布見圖1。2）分體式后蓋本文所述項目后蓋鈑金為分體式，由后蓋外板和尾燈板焊接而成，尾燈安裝面分布在3個零件上，因此X向RPS點我們選擇布置在較大且居中的后蓋外板上，并考慮到后蓋外板與尾燈板焊接公差，將尾燈板上的固定點設(shè)置為X向可調(diào)整，補償鈑金焊接公差，保證尾燈與尾燈板之間的配合密封［2-3］。分體式后蓋尾燈Fx分布見圖2。
1.2Y向RPS點居中布置
貫穿式尾燈Y向尺寸較大，一般都在1.2m左右，孔新星等人在《貫穿式汽車尾燈PMMA燈罩應(yīng)力與壽命研究》一文中指出，在應(yīng)力水平較高情況下，60℃高溫工作環(huán)境下，材料蠕變量較低溫低應(yīng)力水平下更快，而低溫低應(yīng)力下，蠕變緩慢趨于穩(wěn)定。因此由外界環(huán)境溫升高導致的材料熱膨脹會對裝配后的零件尺寸產(chǎn)生影響，使A、B燈間隙發(fā)生變化［4］。Y向RPS點設(shè)置應(yīng)盡量居中，使零件兩側(cè)變形量保持一致，避免間隙變化集中在一側(cè)，導致與周邊零件干涉或縫道不均勻等問題。
1.3設(shè)置Z向輔助RPS
貫穿式尾燈與后蓋鈑金Z向縫道是外觀關(guān)注重點，除2個Z向主RPS之外，該項目還設(shè)置了一些Z向輔助定位墊塊，保證整條Z向縫道均勻。貫穿式尾燈fz示意圖見圖3。
2固定點布置
2.1根據(jù)質(zhì)量分布布置固定點
尾燈造型決定了貫穿燈質(zhì)量主要功能集中在兩側(cè)主B燈上，中間的光帶部分質(zhì)量較輕，因此，在采用螺釘固定方案的基礎(chǔ)上，在主B燈上均勻布置更多的螺釘固定點，中間光帶部分則采用球頭和螺釘混合使用的固定方式。球頭的優(yōu)點是既可用于定位，又可用于固定，并且裝拆只需要在鈑金正面操作即可，可減少在后蓋內(nèi)板及內(nèi)飾上開孔，更利于整車穩(wěn)定性及成本控制。貫穿尾燈螺釘及球頭分布見圖4。
2.2導向結(jié)構(gòu)的設(shè)計
由于貫穿式尾燈尺寸較大，為了便于生產(chǎn)線工人裝配，導向結(jié)構(gòu)的設(shè)計也很重要。尾燈通常采用卡扣與導向槽進行預定位，即安裝過程中先將卡扣固定在鈑金上，然后沿燈具安裝方向?qū)敉迫脞k金，過程中卡扣先進入燈體導向槽，從而使盲裝的定位球頭一次性順利卡入固定球帽中。導向作用示意圖見圖5，貫穿尾燈導向結(jié)構(gòu)布置見圖6。
2.3貫穿式尾燈固定點設(shè)計特殊性
前文中已經(jīng)提到，由于貫穿式尾燈較傳統(tǒng)后蓋尾燈尺寸大很多，受高分子材料自身性質(zhì)影響，當工作溫度逐漸升高時，貫穿燈會產(chǎn)生熱膨脹。當居中設(shè)計Y向定位后，熱膨脹會產(chǎn)生越靠近兩側(cè)越大的趨勢。若主B燈兩側(cè)固定點為剛性連接，會導致連接處應(yīng)力集中，發(fā)生安裝點變形甚至斷裂失效的情況。本文所述項目參考了AudiA7批量尾燈以及VW貫穿尾燈安裝方案，在主B燈兩側(cè)使用了Y向自適應(yīng)安裝螺釘（圖7），使螺釘與燈體之間有一定的Y向緩沖，避免了剛性連接導致的安裝點斷裂問題。對于尾燈縫道定義，不僅需要分析靜態(tài)下零件之間的距離，還需要校核后蓋運動過程中，燈與周邊的間隙是否安全。劉宏霞等人在《汽車后組合燈的設(shè)計分析》一文中已詳細論述了動態(tài)校核的過程及注意事項。貫穿式尾燈需要將熱膨脹因素也考慮到校核當中，這也是貫穿式尾燈車型A、B燈間隙較傳統(tǒng)尾燈更大的原因［5］。
3力學模擬結(jié)果
3.1安裝點振動模擬分析
本文所述貫穿尾燈在主B燈側(cè)采用Y向自適應(yīng)螺釘，中央密封區(qū)域采用螺釘固定，需要對整燈進行振動模擬分析，驗證安裝點布置是否可靠。模擬主要原理是將燈的RPS點定義為邊界條件的支撐點，根據(jù)精確計算的整燈質(zhì)量，模擬X、Y、Z方向隨機振動工況下，每個安裝受力點的最大應(yīng)力，根據(jù)結(jié)構(gòu)及材料屬性，計算出每個點的安全系數(shù)。以此項目為例，通過振動模擬分析判斷各安裝點受力情況，安全系數(shù)均大于1，可判斷安裝點布置是合理并且可靠的。振動模擬分析結(jié)論見表1。
3.2球頭拉拔力分析及密封墊壓縮量確定
對于有拉拔力要求的球頭固定點，還需要模擬球頭在3種隨機振動工況下的脫出力。項目中討論了密封墊在不同壓縮量下，球頭脫出力的變化，最終確定了合理的密封墊壓縮量。脫出力計算結(jié)果（圖8）顯示，當壓縮量增大時，密封墊對球頭的反作用力使球頭的脫出力增大，但是3種工況下，密封墊在40%~60%壓縮量范圍內(nèi)，球頭的脫出力都小于該球頭的拉拔力下限。因此，綜合考慮密封性和力學因素，該項目選擇了50%的密封墊壓縮量。
4公差分析結(jié)果
尾燈公差分析，以建立好的裝配關(guān)系為基準，在CAD模型中選取若干測量點，間隔40~60mm，分析各測量點坐標上下偏差的正態(tài)分布。合格率未滿足要求時，需要適當調(diào)整RPS點，重新建立裝配模型。尾燈與周邊間隙的公差分析，是在尾燈和周邊零件公差已知的情況下，考慮裝配和焊接公差等因素，分析2個零件之間的公差帶及裝配合格率，以此判斷縫道及公差定義是否合理。合格率較低時，需要縮小單個零件公差范圍或者賦予復合輪廓度等要求，也可以根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整縫道定義。本文所述項目，經(jīng)過兩次RPS調(diào)整，尾燈所有測量點分析結(jié)果在滿足尺寸驗收要求的條件下，合格率也是滿足要求的。而尾燈和周邊匹配間隙，受到貫穿式尺寸較大的影響，需要對尾燈再賦予復合輪廓度的要求，才可以滿足整車裝配后，公差合格率達到要求。
5PT件試驗結(jié)果
尾燈PT件主要用于造型驗證及性能驗證，對于已有模擬分析結(jié)果的，通過試驗和模擬結(jié)果對比，可以對分析手段的準確性進行評判。本文討論的振動模擬和拉拔力分析，在PT件的振動試驗中均得到了驗證。振動分析結(jié)果顯示，在3種隨機振動工況下，實際零件振動試驗后均未出現(xiàn)安裝點斷裂以及球頭脫出產(chǎn)生的零件變形。PT件振動試驗見圖9。
6結(jié)語
本文從RPS定義、固定點布置、力學模擬、公差分析和PT件驗證等幾個方面，闡述了一款貫穿式尾燈安裝定位方案的設(shè)計過程，針對貫穿式尾燈Y向尺寸大的特點，著重說明了安裝方案的特殊性。通過PT件振動試驗的結(jié)果可以看出，該項目的安裝方案是可靠的，同時也可以看出，兩項力學模擬結(jié)果也是具有參考性的。以上內(nèi)容可以為新項目的開發(fā)提供參考方向。
參考文獻：
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［3］楊紅彥，張澤龍.某車型尾燈裝配間隙平行差超差的問題分析與解決［J］.汽車工藝與材料，2018（7）：52-55.
［4］孔新星，周丹，李虎強，等.貫穿式汽車尾燈PMMA燈罩應(yīng)力與壽命研究［J］.汽車文摘，2019（6）：32-36.
［5］劉宏霞，陳文強，潘之杰，等.汽車后組合燈的設(shè)計分析［J］.汽車電器，2011（12）：1-3.
作者：白孟瑤 金立軍 王坤陽 單位：上汽大眾汽車有限公司